擰緊策略及其對螺栓預緊力影響研究

劉 寧，安魯陵，王慶有，趙 聰

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2.航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

機械連接作為飛機結構中重要的連接方式，其主要分為鉚釘連接和螺栓連接。雖然鉚接在飛機連接中使用普遍，但因其不可拆卸，在一些重要的承載結構處則需要螺栓連接。螺栓擰緊作為螺栓連接的重要環節，其本質在于對預緊力的控制[1-2]。研究表明，在一定預緊力范圍內，螺栓的預緊力越大，其抗松動和抗疲勞性能越好，而預緊力過大則可能會導致連接失效[3]。本研究所指的擰緊策略具體涉及擰緊方法和工藝參數。其對預緊力有重要影響[4]。在扭矩法擰緊過程中，預緊力通過擰緊扭矩轉化得到，受摩擦系數影響顯著，而擰緊工藝參數會影響摩擦系數，使得預緊力與擰緊力矩的關系更加復雜[5]。因此，研究螺栓擰緊策略及其對預緊力的影響，對精準控制預緊力、充分發揮螺栓連接的能力，保證連接質量具有重要意義。針對螺栓擰緊策略的關鍵問題，從擰緊方法、擰緊方法對預緊力的影響、擰緊工藝參數對預緊力的影響三個方面進行了分析和研究。

1 螺栓擰緊方法

螺栓擰緊方法可大致分為彈性區擰緊法、塑型區擰緊法和其他擰緊方法，其中彈性區擰緊主要是扭矩法；塑性區擰緊法包括扭矩-轉角法（也可適用于彈性區）、扭矩斜率法（屈服點控制法）[6-10]。

1.1 扭矩法

扭矩法是一種最為常用，裝配時只能應用在彈性區，利用扭矩與預緊力的線性關系進行擰緊的方法。目前，扭矩法是通過控制螺栓扭矩來間接控制被連接件的預緊力值，通常采用電動扳手、彈簧式力矩扳手、氣動液壓扭矩扳手進行擰緊，擰緊時的外力矩等于螺栓扭矩值，當其達到規定扭矩時停止擰緊。在使用扭矩扳手進行擰緊時，擰緊扭矩T與預緊力F有一定的對應關系[11-13]，即：

式中：K為扭矩系數（受潤滑條件、螺栓連接結構、零件表面加工精度、擰緊速度、環境溫度等因素影響），D為螺栓的公稱直徑。

MOTOSH[14]提出螺栓的擰緊扭矩主要可分為三部分，上述公式可轉化為：

式中：TP為作用于螺紋牙的扭矩，Tt為螺紋間的摩擦扭矩，Tb為支撐端面的摩擦扭矩。

ISO 16047[15]在德國標準基礎上對上述公式進行了具體表達，并提出了摩擦系數的簡化公式，即用來評估螺栓螺母擰緊時總體的摩擦行為。將式（1）轉化為預緊力F的表達式：

p、d2、du為螺栓的幾何參數，可視為定值，由此可見，決定扭矩與預緊力之間對應關系的因素是摩擦系數μm。

摩擦系數取值約為0.2時，扭矩與預緊力的關系一般遵循5-4-1原則，即所施加的扭矩50%需要克服螺栓頭（螺母）旋轉所產生的摩擦力，40%需要克服螺紋副的摩擦力，剩余10%則用于產生預緊力，如圖1所示[12]。

圖1 扭矩的轉化

扭矩法操作簡單，但影響螺栓摩擦系數的因素很多，在定扭矩的條件下，預緊力會受扭矩系數的影響，即受摩擦系數的影響，若摩擦系數不同，所獲得的預緊力也有差異。因此，應對該擰緊方法進行全面而深入的研究，充分了解扭矩系數的變化規律，否則難以實現對預緊力的精準控制。

1.2 扭矩-轉角法

扭矩-轉角法是在擰緊時，將螺栓擰到貼合扭矩后，再轉動螺紋緊固件達到相應的角度，達到精確控制預緊力的目的，該方法可適用于彈性區域和塑形區域，擰緊過程如圖2所示。雖然扭矩-轉角法得到的預緊力也會受到摩擦系數影響，但其處在彈性變形區域時，若彈性模量恒定，預緊力可以通過擰緊轉角來控制，從而降低摩擦系數對預緊力的影響。在螺栓發生塑性變形后，螺栓預緊力雖不與伸長量成正相關，但只要將螺栓的形變維持在屈服點上下的區域內，預緊力就會保持相對穩定。因此，該方法可以降低預緊力的分散度，提高對預緊力的控制精度[16-19]。

圖2 扭矩-轉角法擰緊示意圖

1.3 扭矩斜率法

扭矩斜率法（屈服點控制法）是在擰緊過程中，由擰緊設備進行監控，一旦監測到螺栓強度達到屈服，即達到目標扭矩遂停止擰緊，從而獲得相應預緊力的一種擰緊方法，示意圖如圖3（a）所示。擰緊設備的原理是螺栓在伸長過程中，預緊力相對于螺栓旋轉角度的上升斜率有所不同，如圖3（b）所示a段與b段斜率不同，即α1≠α2，而螺栓屈服時，扭矩斜率的變化十分迅速，屈服點的監控是通過對轉角與力的變化進行計算與識別，從而達到控制預緊力的目的[12，16]。

圖3 扭矩斜率法

扭矩斜率法的優點是不受螺栓摩擦系數和起始扭矩的影響，從而克服了上述兩種方法的缺點，擰緊精度有所提高。采用屈服點控制法時預緊力的大小主要取決于螺栓本身的屈服強度，對于螺栓自身的屈服強度與抗拉強度有較高要求，即對螺栓的材料和熱處理要求較高，一般應用于要求特別高的裝配部位。

綜上可知，因扭矩法操作簡單且利用擰緊扳手就能實現，擰緊時多被采用，但在給定扭矩的條件下進行擰緊時，影響螺栓摩擦系數的因素很多，進而影響扭矩系數，導致預緊力有較大誤差[20，21]，許多學者都提到了以上不足并建議多采用屈服點控制法和扭矩-轉角法進行擰緊，但目前大多文獻都只是對方法的原理進行說明，對于確定扭矩-轉角法何時施加轉角還有待于研究，另外對于屈服點捕捉的方法也需要進一步研究。湯春球等[22]通過模擬工裝進行擰緊試驗，根據試驗曲線確定貼合扭矩以及緊固轉角，并提出用線性回歸方程取得扭矩/角度曲線的梯度和線性斜率系數的方法，經驗證該方法對于擰緊屈服點的確定較為精確。李小強等[4]在一定初始扭矩條件下通過繪制轉角-預緊力關系曲線，來確定扭矩-轉角法的貼合扭矩。

2 擰緊方法對預緊力的影響

螺栓預緊力對螺紋連接結構的性能至關重要，擰緊的根本在于將預緊力控制在合理范圍內，普通螺栓所需預緊力的上限由緊固件和被連接件的強度決定，該值須確保螺栓及被連接件在預緊和工作過程中不會發生剪斷、疲勞斷裂、被連接件壓縮等破壞；其下限取則決于連接結構的功能，要保證連接件在工作過程中始終貼合[9]。

于成杰[18]認為螺栓預緊力取值越高越有利，其主要依據是螺栓的抗疲勞性能以及抗松動性能會因預緊力的提升得到改善。趙欣等[23-25]利用有限元軟件通過對螺栓受載進行應力分析，研究了螺栓預緊力對螺紋連接結構強度、疲勞和松動的影響，結果表明預緊力會影響螺紋連接的可靠性，而螺栓預緊力的大小直接受擰緊方法的影響。

林湖等[3，18，26]通過對扭矩法及扭矩-轉角法進行理論分析對比發現，扭矩-轉角法對擰緊控制精度更高，文獻[2]對某機型柴油機缸蓋螺栓采用不同擰緊方法進行實驗，結果表明，在一定的形變范圍內，若螺栓與被連接體的剛度保持相對穩定，那么扭矩-轉角法引起的預緊力較扭矩法也相對穩定。

劉曉石[27]分別采用扭矩法和扭矩-轉角法對發動機連桿螺栓進行擰緊試驗，結果表明扭矩-轉角法對預緊力控制精度更高。Wu等[28]在扭矩-轉角法的基礎上，提出了一種基于模糊邏輯控制的扭矩控制方法，利用該方法對貼合扭矩進行控制，進一步提高了扭矩-轉角法的精度。文獻[20]通過實驗對比分析得出，使用扭矩-轉角法進行擰緊得到的預緊力比扭矩法更接近理論目標值，而扭矩-轉角法對預緊力控制精度高的原因是施加的扭矩將結合面貼緊，克服了初始表面凹凸不平的因素，進一步施加轉角避免摩擦力影響軸向伸長量。

PERSSON等[29]通過對不同擰緊方法進行實驗，結果表明擰緊時，螺栓伸長量分散程度最小的是采用屈服點控制法，扭矩-轉角法次之，扭矩法最大。

綜上所述，擰緊方法主要影響預緊力的控制精度，因其他擰緊方法使用條件繁雜，成本較高，大多數學者對常用的扭矩法和扭矩-轉角法進行了研究，研究表明扭矩-轉角法相比扭矩法對預緊力控制精度較高，且不受扭矩系數的影響，未來擰緊應多采用扭矩-轉角法，并對其進行更深入的研究。

3 擰緊工藝參數對預緊力的影響

采用扭矩法進行螺栓擰緊時，預緊力是通過扭矩扳手擰緊螺栓頭部或螺母產生的，由圖1可知擰緊扭矩主要是在克服摩擦過程中消耗的，摩擦包括端面摩擦以及螺紋副摩擦，這兩部分的摩擦系數不準確將會影響螺栓連接性能的準確性，若螺紋間摩擦系數提高，摩擦力矩會隨之增大，阻礙螺栓（螺母）旋轉，反之螺栓連接容易發生松動。擰緊階段的摩擦系數是研究擰緊扭矩-預緊力關系的關鍵[30，31]，除材料種類影響摩擦系數之外，工藝參數是直接影響因素，其中擰緊工藝參數包括：潤滑條件、擰緊次數、擰緊速度等[32-34]。因此，研究擰緊工藝參數對預緊力的影響，對螺栓擰緊機理以及擰緊策略的研究有一定積極的作用。

岳烜德[35]通過研究用指數函數建立了摩擦系數與預緊力的關系，在這基礎上采用扭矩法研究了四種擰緊工藝參數對摩擦系數的影響，明晰了擰緊工藝參數對復合材料連接T-F關系的影響，最終根據T-F曲線的包絡區域，確定了擰緊工藝參數的調整區間，為選擇擰緊工藝參數提供依據。

CROCCOLO[36-38]團隊在螺栓擰緊過程中采用扭矩法從擰緊工藝參數入手，在摩擦系數對預緊力的影響方面做了大量研究，在相同的擰緊扭矩條件下，如果摩擦系數低，會產生高預緊力；相反，較高的摩擦系數提供的夾緊力可能不足。周俊波[39]結合微動摩擦學理論和表面工程技術，通過實驗研究了在剪切載荷作用下擰緊工藝參數對螺栓連接結構松動行為的影響，分析發現表面摩擦系數過大會影響預緊力的一致性，過小螺栓則容易發生松動。

吳向陽等[40]提到使用潤滑脂時，普通鋰基潤滑脂在金屬凹凸表面間形成油膜，可有效降低螺栓連接結構的扭矩系數；在相同預緊力的條件下，預緊力的分散性會有所降低，螺栓連接的可靠性有所提高。王曉斌等[41]利用螺栓多功能緊固分析系統分別采用扭矩法探究了不同擰緊轉速對螺栓連接效果的影響，研究表明，在無潤滑條件下，隨著擰緊速度增加，螺栓摩擦系數會有所降低，從而引起扭矩系數降低，擰緊扭矩轉化預緊力也隨之增大，文獻[4]在此基礎上進一步研究發現擰緊速度越大，擰緊扭矩系數K值越穩定，預緊力的離散程度越小。

李小強等[42]基于搭建的TC4單螺栓擰緊試驗系統開展了試驗研究，研究表明采用扭矩法進行擰緊，擰緊摩擦面和螺紋接觸面摩擦系數的不穩定都會影響K值，擰緊摩擦面表面粗糙度降低或者表面潤滑較好時，擰緊裝配時當量摩擦系數會減小或趨于穩定，可有效降低擰緊力矩系數的波動，提高螺栓預緊力的一致性。

結合以往研究，國內外研究學者都是通過實驗研究-有限元分析結合的方法從擰緊工藝參數入手，研究了擰緊工藝參數對摩擦系數的影響機制，從而研究擰緊扭矩與預緊力的轉化關系，因為螺栓擰緊是一個復雜的非線性問題，目前仿真采用的大多是簡化模型，對于實體細節模型因四面體網格劃分的質量較差，多采用一體化六面體網格劃分，但由于計算效果和收斂結果等原因，螺栓擰緊仿真過程還有待完善，而且擰緊過程仿真研究就螺栓種類而言多為凸頭螺栓，對沉頭螺栓的研究較少，其頭部相對于凸頭螺栓頭部的差異性需進一步研究；就連接材料而言，研究多為復合材料-復合材料，復合材料-金屬之間，金屬-金屬也需進一步研究。

4 結語與展望

螺栓連接因其連接可靠性強、拆裝方便的優點被廣泛采用。螺栓擰緊策略的研究對于提升螺栓連接的可靠性以及裝配質量非常重要，不同擰緊方法對預緊力的控制不盡相同，需根據實際工況選擇合適的擰緊方法。使用扭矩法進行擰緊時，預緊力不能直接測得，需利用扭矩與預緊力關系公式進行計算，其中摩擦系數是影響扭矩與預緊力之間關系的決定性因素，可以通過控制擰緊工藝參數提高連接的可靠性。

在螺栓擰緊方法方面，大多數研究只停留在基礎理論層面，對于具體擰緊步驟、適用范圍研究的較少；對扭矩-轉角法的研究也只是與扭矩法進行精度對比，雖證實扭矩-轉角法對預緊力控制精度更高，但對扭矩-轉角法的具體實施方法還較模糊，轉角的確定方法很籠統，目前較為常用的方法一種是通過扭矩/角度曲線梯度來捕捉屈服點的方法來確定，另一種則是根據實驗確定，這對實驗裝置要求較高，需要實時監測轉角與預緊力，操作成本也較高，現如今采用該方法都是針對特定螺栓確定特定的擰緊規范，今后可以向簡化實驗裝置的方向進行研究。

在擰緊工藝參數研究方面，國內外學者都進行了大量相關研究，建立了擰緊扭矩與預緊力的關系方程，深入研究發現扭矩系數的直接影響因素是摩擦系數，而摩擦系數則受擰緊工藝參數影響，進而影響預緊力。目前看來，扭矩系數和摩擦系數直接相關，前者更有利于簡化概念，是工程技術人員研究的重點，研究摩擦系數對T-F關系的影響可能是研究人員所關注的。

在工業技術向著信息化及智能化高速發展的過程中，緊固件也應向智能化發展。本研究以不同擰緊方法為基礎，分析了近年來螺栓擰緊的相關研究，為螺栓擰緊策略提供參考，未來在螺栓緊固件與擰緊技術智能化的同時，智能化健康監測，螺栓松動后自我擰緊，基于數字孿生的裝配技術也需要進一步探索。